Кольцо Эйнштейна в радиодиапазоне

На этой фотографии совмещены два изображения, полученные на разных телескопах. Синее размытое пятно в центре — это галактика, находящаяся на расстоянии 4 млрд световых лет от нас, сфотографированная телескопом «Хаббл» на пределе его разрешающей способности. Красное кольцо — изображение галактики SDP.81, находящейся в точности позади первой на расстоянии около 12 млрд световых лет от нас. Оно более детализированное, потому что получено системой радиотелескопов ALMA, максимальная разрешающая способность которой составляет около 23 миллисекунд дуги — это всё равно что увидеть с Земли, сколько пальцев показывает космонавт на МКС.

Подобные кольцевые изображения получаются, когда свет от далекой (фоновой) галактики линзируется за счет гравитации какого-нибудь массивного объекта, который расположен на пути к наблюдателю, — например, отдельной галактики или даже скопления галактик. В данном случае такой линзой является галактика, которая в радиодиапазоне светит слабо.

Схема работы гравитационной линзы. В роли линзы выступает передняя галактика. Она искривляет путь света от более далекой галактики, которая находится за ней, направляя его в телескоп. На экране справа показано, как эту систему видит наблюдатель. Изображение с сайта space.com

Отклонение света в поле тяготения массивного объекта, на котором основан эффект гравитационного линзирования, было одним из основных предсказаний Общей теории относительности (см. также Столетие ОТО, или Юбилей «Первой ноябрьской революции»). И оно блестяще подтвердилось во время солнечного затмения 1919 года. Была специально организована экспедиция в Южное полушарие, и в результате Эддингтону удалось сделать снимки, на которых были видны звезды рядом с Солнцем в момент полной фазы затмения. Аккуратные подсчеты, которыми занимался Фрэнк Дайсон, показали, что свет действительно отклоняется, проходя вблизи Солнца, то есть численно подтвердили правильность предсказаний ОТО.

Впервые идея гравитационного линзирования в научной литературе была упомянута, как ни странно, только в 1924 году российским ученым Орестом Хвольсоном, а численное описание это явление получило еще позже, в 1936 году, в известной работе Эйнштейна. Поэтому гипотетический результат гравитационного линзирования вошел в литературу под названием «кольца Эйнштейна». Правда, Эйнштейн рассматривал линзирование для звезд и, возможно, поэтому сделал ремарку, что «нет никакой надежды наблюдать подобное явление напрямую».

К счастью, в этом Эйнштейн оказался неправ: в 1988 году астрономы впервые нашли кольцо Эйнштейна в радиодиапазоне. Сейчас всевозможных явлений гравитационного линзирования известно уже очень много, а процесс их поиска полностью автоматизирован.

Для примера ниже показано изображение скопления галактик MACS J1206, сделанное телескопом «Хаббл». Из-за того, что в скоплении огромное количество темной материи, почти на всех галактиках можно заметить следы гравитационного линзирования — характерное сжатие и удлинение изображения.

Скопление галактик MACS J1206. Изображение с сайта spacetelescope.org

Если распределение массы в линзирующем объекте недостаточно правильное, то наблюдается не кольцо, а более сложно измененное изображение далекого объекта, как на фото ниже. Такое в основном бывает с очень далекими объектами типа квазаров.

Крест Эйнштейна — квазар QSO 2237+0305, свет от которого линзируется галактикой ZW 2237+030. При этом изображение квазара учетверяется. Изображение с сайта ru.wikipedia.org

При всей своей красоте эффект линзирования является еще и одним из самых важных инструментов космологии, так как это один из немногих, а в некоторых случаях и вовсе единственный способ измерения распределения массы галактик и далеких скоплений, в которых основная масса содержится не в звездах и пыли, а в виде темной материи (которая поэтому и является основной причиной линзирования). Имея на руках линзированное изображение, можно попытаться восстановить форму и массу самой линзы, тем самым изучая распределение темной материи в пространстве.

Например, в линзе, которая показана на верхней фотографии, после анализа незначительного искажения «радиокольца» предсказали существование карликовой галактики-спутника, расположенной недалеко от основной линзирующей галактики (напомним, что на фото она показана синим). На следующей фотографии эта карликовая галактика, предположительно почти полностью состоящая из темной материи, показана как белое пятно левее и ниже центра.

Составное изображение результата гравитационного линзирования галактики SDP.81 с предсказанной «пустой» карликовой галактикой (белое пятно возле левой из красных дуг). Изображение с сайта public.nrao.edu

В завершение — космический смайлик из колец Эйнштейна от телескопа «Хаббл» :)

Гравитационная линза в скоплении галактик SDSS J1038+4849. Изображение с сайта nasa.gov

Фото с сайта public.nrao.edu.

См. также:
1) Открыт редкий случай гравитационного линзирования — двойное кольцо Эйнштейна, «Элементы», 13.01.2008.
2) Сверхновая вспыхнула еще раз в назначенное время в назначенном месте, «Элементы», 25.12.2015.

Айк Акопян